Classes de refroidissement des transformateurs expliquées : cotes ONAN, ONAF et OFAF

Un entrepreneur de centre de données à Johor nous a envoyé l’année dernière un calendrier de charge comportant un seul chiffre : 10 MVA, en continu. Son arrivée transformateur immergé dans l'huile était accompagnée d’une plaque signalétique indiquant ONAN 8 000 kVA / ONAF 10 000 kVA — les classes de refroidissement des transformateurs que chaque devis énumère et que presque personne ne lit — et il avait dimensionné le câble 11 kV, l’appareillage de commutation et les réglages de protection sur la base du second chiffre. Lors de la mise en service, les ventilateurs se sont mis en marche, la charge a augmenté, et l’alarme de température de l’huile supérieure s’est déclenchée à 96 °C par une après-midi de 33 °C.

Rien n’était endommagé. L’unité fonctionnait exactement comme l’indiquait sa fiche de puissance nominale — dans des conditions que personne n’avait spécifiées dans le bon de commande. Ce décalage entre un code de refroidissement et une installation réelle est le point de départ de la plupart des litiges concernant la capacité des transformateurs.

Ce que le code des classes de refroidissement des transformateurs vous indique réellement

 

Classes de refroidissement des transformateurs sont un sigle de quatre lettres qui décrit simultanément deux éléments : le fluide caloporteur en contact avec les enroulements et la méthode permettant d’évacuer la chaleur de ce fluide. La première lettre désigne le fluide interne (O pour huile minérale, K pour liquide non minéral dont le point d’inflammation dépasse 300 °C, L pour ester synthétique dont le point d’inflammation dépasse 300 °C), la deuxième lettre indique le mode de circulation (N pour naturel, F pour forcé, D pour dirigé), et les deux dernières lettres reprennent la même logique pour le fluide externe — air, eau ou air forcé.

Ainsi, ONAN signifie huile naturelle, air naturel : l’huile circule par siphon thermique et le réservoir ainsi que les radiateurs évacuent la chaleur vers l’air immobile, sans ventilateurs ni pompes dans tout le système. ONaf devient ONAF lorsque des ventilateurs soufflent de l’air sur le banc de radiateurs. OFAF ajoute des pompes à huile. ODAF dirige le flux d’huile dans les canaux des enroulements, méthode utilisée notamment par les grands transformateurs élévateurs de générateurs afin de maîtriser les gradients thermiques dans les enroulements.

Classe de Refroidissement	Ce qui fonctionne	Gain de capacité typique	Où elle est utilisée
ONAN	Rien — uniquement le siphon thermique	Cote de base	Unités de distribution, sous-stations rurales, unités sur socle
ONAF (étape 1)	Un groupe de ventilateurs	+25 % à +33 % par rapport à ONAN	Sous-stations urbaines, installations industrielles avec charges de pointe
ONAF (étape 2)	Deuxième groupe de ventilateurs	encore +15 % à +20 %	Centres de données, aciéries et cimenteries
OFAF	Ventilateurs plus pompes à huile	+40 % à +60 % par rapport à ONAN	Transformateurs de puissance de 40 MVA et plus
ODAF	Circulation dirigée de l’huile plus ventilateurs	La plus élevée pour un bâti donné	Transformateurs élévateurs de générateurs, unités de conversion HVDC

Ces pourcentages correspondent aux plages utilisées par notre bureau d’études lors de la rédaction d’une fiche de caractéristiques. Ils ne découlent d’aucune norme — la surface des radiateurs, le volume d’huile et le choix des ventilateurs varient d’un fabricant à l’autre, et la seule valeur qui compte est celle figurant dans vos caractéristiques techniques garanties.

La deuxième puissance nominale n’est pas une capacité supplémentaire gratuite

 

Voici la partie que la plupart des acheteurs négligent. Un Transformateur ONAF n’offre pas simplement une capacité supérieure à celle de la même unité fonctionnant en ONAN. Elle offre une capacité qui n’existe que tant qu’un ensemble de conditions est rempli, et chacune de ces conditions peut faire défaut indépendamment du transformateur.

Le groupe de ventilateurs nécessite une alimentation auxiliaire. Sur plusieurs projets en Amérique du Nord, nous avons constaté qu’un organisme de distribution a refusé la puissance nominale ONAF lors d’une étude d’interconnexion, car l’alimentation des services de la sous-station n’était pas soutenue par un dispositif de transfert — si les ventilateurs s’arrêtent, l’unité revient silencieusement à 8 MVA, tandis que les réglages de protection restent fixés à 10 MVA. Le transformateur n’a pas changé. Seule la puissance nominale a changé.

Les ventilateurs doivent également être présents. Un groupe de refroidissement de 10 MVA comporte généralement deux à quatre ventilateurs axiaux d’environ 0,55 kW chacun, avec des roulements de moteur, des contacteurs, des thermostats et un circuit de commande qui active ou désactive les étages en fonction de la température de l’huile en partie supérieure. Chacun de ces éléments constitue un poste d’entretien ayant une durée de vie limitée ; un moteur de ventilateur grippé supprime un étage de refroidissement au cœur d’un pic estival. Lorsque nous établissons un devis pour une unité, nous y incluons la philosophie de commande des étages de ventilation dans le même document que l’impédance, car la puissance nominale dépend du comportement du système de commande, et non uniquement de la conception des enroulements.

Ensuite, il y a l’hypothèse ambiante. Les limites d’élévation de température font référence à une température ambiante définie sur une journée et sur une année entière, et non pas sur un seul après-midi. Une unité garantie pour une élévation moyenne de température des enroulements de 65 K l’est pour une température ambiante maximale spécifiée ; ainsi, la journée à 33 °C à Johor n’était pas le problème — le problème était que personne ne s’était demandé ce qui se produisait à 40 °C avec les ventilateurs uniquement en première étape. C’est l’erreur la plus courante que nous constatons dans classes de refroidissement des transformateurs les spécifications : les quatre lettres sont copiées depuis une fiche technique sans reprendre la base ambiante qui en fait la validité.

Élévation de température : le chiffre derrière le code

 

Les lettres indiquent comment la chaleur quitte l’unité. Le hausse de température chiffre indique la quantité de chaleur à laquelle l’isolant est autorisé à être exposé. Pour les unités immergées dans un liquide, les deux limites pertinentes sont l’élévation moyenne de température des enroulements et l’élévation de température au point le plus chaud ; elles sont définies dans la norme IEEE C57.12.00, dont vous pouvez consulter un résumé sur la Page de l’IEEE Standards Association consacrée à la norme C57.12.00-2021 pour une conception de montée en température moyenne des enroulements de 65 K — encore la spécification la plus courante en Asie et au Moyen-Orient — la marge autorisée pour le point le plus chaud correspondante est de 80 K, ce qui équivaut approximativement à 110 °C à l’ambiance de référence.

Cette valeur de 110 °C détermine la durée de vie de l’isolation. Le papier vieillissant à 110 °C perd sa résistance à la traction à un rythme tel que sa durée de vie résiduelle est divisée par deux pour chaque élévation de température de 6 à 8 K au-delà de ce seuil, ce qui explique pourquoi un équipement fonctionnant à une température supérieure de 8 K à sa température nominale ne vieillit pas simplement 8 % plus vite. Il vieillit plusieurs fois plus vite, et aucun élément du rapport d’essai courant ne vous alertera avant que les valeurs de furane ne commencent à augmenter, des années plus tard.

 

 

C’est également pourquoi l’essai en charge thermique revêt plus d’importance que le certificat. Un essai de montée en température selon la norme IEEE C57.12.90 mesure les gradients réels de température de l’huile en partie supérieure et des enroulements sous charge nominale ; il constitue la seule preuve que la surface du radiateur, le volume d’huile et le choix des ventilateurs indiqués sur le plan permettent effectivement d’atteindre la puissance nominale indiquée sur la plaque signalétique. Sur un Transformateur ONAF l’essai thermique revêt une importance double, car chaque étage de ventilateur constitue un point de fonctionnement distinct qui doit être vérifié, et non déduit.

Ventilateurs, pompes et facture de maintenance

 

Les étages de refroidissement sont peu coûteux à spécifier, mais onéreux à entretenir. Chaque pièce mobile ajoutée à un transformateur devient un objet d’inspection programmée, une pièce de rechange stockée quelque part, et un mode de défaillance qui se traduit par une réduction de puissance imprévue plutôt que par un déclenchement net.

Notre expérience avec Transformateur ONAF les parcs de transformateurs montre que la liste hiérarchisée des défaillances est courte et prévisible : les roulements des moteurs de ventilateur s’assèchent en premier, puis les bobines des contacteurs, puis le thermostat qui commande la mise en service du deuxième groupe. Les pompes sur les unités OFAF ajoutent des joints d’arbre et une interconnexion à pression différentielle susceptible de provoquer des déclenchements intempestifs si le niveau d’huile baisse. Aucun de ces éléments n’est exotique, et tous peuvent être évités dès la phase de spécification.

Un point doit être précisé dans la spécification : le comportement de l’unité en cas de défaillance d’une étape de refroidissement. Si la deuxième étape échoue et que la charge n’est pas délester, l’enroulement absorbe l’écart. Un déclenchement par température excessive de l’enroulement constitue un résultat sécurisé ; en revanche, un enroulement fonctionnant silencieusement à 120 °C pendant toute une saison ne l’est pas.

Température ambiante, altitude et enveloppe : là où les puissances nominales diminuent discrètement

 

Deux facteurs de déclassement piègent davantage de projets que tout autre : la température ambiante du site et l’altitude. Nos fiches de conception appliquent approximativement une réduction de capacité de 1,0 % à 1,2 % par degré Celsius au-dessus de la température ambiante nominale, ce qui signifie qu’un site désertique à 50 °C fait perdre à une unité classée pour 40 °C une part significative de sa puissance nominale avant même toute connexion de charge. Au-dessus de 1 000 m, la densité de l’air réduite produit le même effet sur l’évacuation thermique par air, et cette correction doit figurer dans le calcul de la plaque signalétique, et non dans une note en bas de page.

L’enceinte constitue le troisième facteur. Une unité posée au sol dans une enceinte résistant aux actes de malveillance, conforme à la norme IEEE C57.12.28, n’aspire pas l’air ambiant identique à celui d’un transformateur de sous-station ouvert ; par ailleurs, une unité installée contre un mur ou à l’intérieur d’un enclos clôturé avec un débit d’air restreint fonctionnera à une température supérieure à celle prévue lors des essais en banc. Ajoutez-y l’effet du rayonnement solaire sur une enceinte sombre dans la région du golfe du Mexique, et l’écart ne relève plus de la simple théorie.

Le bruit obéit à la même logique, mais en sens inverse. Les ventilateurs ajoutent environ 5 à 8 dB(A) ; ainsi, une unité spécifiée à 58 dB(A) en mode ONAN devient une machine émettant 64 dB(A) la nuit, lorsque le deuxième stade est activé. Si le site est soumis à une clause acoustique, c’est bien la valeur ONAF qui sera perçue par les voisins.

Que mentionner sur la fiche technique

 

Lorsque nos ingénieurs examinent une spécification pour une usine chinoise de transformateurs immergés dans l’huile liste restreinte, les dossiers qui aboutissent le plus rapidement sont ceux qui répondent par écrit à ces points :

• Classe de refroidissement et nombre d’étages , indiquées sous forme de séquence (ONAN / ONAF1 / ONAF2), et non pas sous forme d’un seul libellé.

• Puissance nominale à chaque étage , accompagnée de la température ambiante supposée pour chaque valeur.

• Correction d’altitude et d’ambiance , appliquée et indiquée, sans laisser à l’usine le soin de la déterminer.

• Philosophie de commande du ventilateur : températures de déclenchement, délais entre étages et comportement en cas de défaillance d’un étage.

• Alimentation auxiliaire : tension, phase et présence ou non d’une alimentation de secours par le courant continu (CC) de la station ou par un dispositif de transfert.

• Niveau sonore à chaque étage , en dB(A), à la distance de mesure spécifiée.

• Chiffres des pertes à la température de référence, qui, pour les unités destinées au marché américain, doit également satisfaire aux tableaux d’efficacité figurant dans le 10 CFR Partie 431, Sous-partie K , la réglementation du DOE américain relative aux transformateurs de distribution, qui fixe le rendement minimal qu’une unité conforme doit atteindre.

Une spécification qui répond à l’ensemble des sept critères sur deux pages et évite les débats lors de la mise en service concernant la plaque signalétique correcte.

Comment nous évaluons et testons ce produit, et nos recommandations

 

Les acheteurs qui audintent un usine chinoise de transformateurs immergés dans l’huile commencent généralement par la qualité du conducteur d’enroulement puis terminent par le système de refroidissement, ce qui constitue l’ordre inverse. C’est précisément au stade du refroidissement que réside la déclaration de puissance nominale. Notre usine du Jiangsu effectue systématiquement l’essai thermique sur chaque transformateur immergé dans un liquide fabriqué sur mesure, et la fiche de caractéristiques fournie avec le transformateur indique les gradients mesurés de température de l’huile supérieure et des enroulements, et non pas uniquement les valeurs garanties. Cela revêt une importance capitale lorsque le consultant doit justifier une étude de surcharge ou une demande d’interconnexion : les chiffres sont étayés par des essais réels.

Nous fabriquons les deux transformateur immergé dans l'huile des gammes et des unités sèches sur un site de 120 000 m², avec 37 brevets dans le portefeuille ; depuis 2023, nous opérons en tant que partenaire de coentreprise Eaton — une disposition qui se reflète principalement dans la discipline documentaire plutôt que dans le langage marketing. Les dossiers UL, CSA et CEI, les plans et les données thermiques sont fournis en un seul lot.

Une remarque pratique : demandez la séquence des étapes de refroidissement figurant sur le rapport d’essai, et non seulement celle indiquée sur la plaque signalétique — le technicien qui met l’appareil sous tension lit le rapport, pas la plaque.

L’unité de Johor fonctionnait finalement correctement. Nous avons réaménagé la commande des ventilateurs afin d’activer la deuxième batterie 6 K plus tôt, et le propriétaire a transféré 1,2 MVA de charge non critique vers un second transformateur — une solution moins coûteuse qu’un remplacement, rendue possible uniquement parce que la fiche de caractéristiques nous indiquait précisément ce que l’unité était réellement capable de faire.

Classes de refroidissement des transformateurs sont la décision de capacité la moins coûteuse dans l’ensemble du package, et la plus facile à mal dimensionner, car la deuxième puissance nominale semble toujours offrir une marge de sécurité gratuite jusqu’à ce que la température ambiante, l’alimentation auxiliaire et le roulement du ventilateur vous contredisent. Si vous spécifiez actuellement un transformateur immergé dans un liquide, envoyez-nous le profil de charge, la température ambiante sur site et l’altitude via ryan-transformers.com — nos ingénieurs vous répondront avec une puissance nominale détaillée étape par étape ainsi que les données d’essai correspondantes.

À propos de l'auteur : Rédigé par l’équipe d’ingénierie de Ryan Electric, fabricant de transformateurs certifié UL/CSA dans la province du Jiangsu, en Chine, et partenaire de joint-venture d’Eaton depuis 2023, fournissant des transformateurs immergés dans l’huile, des transformateurs secs et des transformateurs sur socle pour des projets de centres de données, de services publics et industriels en Amérique du Nord, en Asie du Sud-Est et au Moyen-Orient.